一三五专栏
中科院重大科研任务
国家973计划课题
所长基金
规划实施动态
科技布局与战略重点
创新2020发展规划总体战略
科研机构
国家能源风电叶片研发(实验)中心
能源动力研究中心
燃气轮机实验室
循环流化床实验室
分布式供能与可再生能源实验室
储能研发中心
传热传质研究中心
 
您当前所在位置:首页>活动专题>一三五专栏>中科院重大科研任务
中科院重点部署项目课题“热压转换新型冷却技术”研究进展(上)
发稿时间:2015-09-14         作者:文/李铁 图/李玉华          来源:     【字号:

  燃气轮机是航空、舰船、交通运输和电站等领域的核心装备,在国民经济和国防建设中具有重要地位,提高燃气轮机的效率、经济性一直以来都是业内人士最为关注的热点问题之一。众所周知,目前公认最有效的解决措施是提高透平前的进气温度T*3。然而,T*3越高,透平等高温部件的工作环境就越恶劣。下一代G/H级燃气轮机透平叶片的持续工作温度为1500℃以上,但由于耐高温材料的限制,燃气透平前温度提高后必须采取更有效的冷却方法来降低其工作温度,以保证发动机的正常运行。因此,研究开发高效的新型透平叶片冷却技术,对于保障高温透平叶片在严酷环境中长时间安全可靠工作,支撑G/H级及以上级重型燃气轮机的研制,具有重要意义和应用价值。 

  目前主流的涡轮叶片冷却方式如气膜冷却、冲击冷却、发汗冷却等,都是以压缩空气为介质的主动冷却计术,随着燃烧温度的提高,用于主动冷却的引气量也随之增加,G/H以上级燃气轮机甚至需要消耗高达20%左右的进气量,导致压缩机的负荷增加,制约着轴功输出效率的提高。同时,冷却气流流路设计复杂,冷却气流和主流燃气的混合会改变流道内的气流分布,从而影响流体做功效率。近年来,研究所传热传质研究中心研发出一种新型的高效闭式传热技术,目前暂称为“高强度热压转换传热技术”,它通过封装在密闭回路中的传热介质进行热量传递,在一定的温度和压力等热力学条件下,热和压力波之间会发生高效率的能量转换,这种机制可以非常快速地传递高强度的热负荷,相比传统的热管和蒸发冷却,这种传热技术具有更强的传热能力、结构自由度和适应加速度过载的能力。本项目旨在为推进该传热技术在燃气轮机叶片冷却中的应用展开技术探索。 

  研发团队目前承担了院重点项目《燃气轮机高温透平叶片研制与验证》,目标是利用现有研究基础,突破高温透平导向器叶片/叶珊的新型热压转换冷却的关键技术,完成冷却结构设计和技术性实验验证,将通过高温叶片的冷效实验验证技术可行性,实现在1400℃高温环境下,使叶片表面温度降低500℃左右。项目的成功实施,将使研究所在国际上首次实现利用新型热压转换传热技术对燃气透平叶片进行冷却。 

  第一级燃气透平导向器叶片(静叶片)工作在1000℃以上的高温环境下,而需要设计的热压转换回路内的工质温度也有700℃左右,因此只能采用高沸点的液态金属对试验件进行充装。为此需要研制隔离空气的具有一定精度的定量充装系统。它包括:蒸馏提纯系统,抽真空系统,保压保温系统,定量充装系统,以及空气隔离保护系统等五个单元。这是本课题的基础和重点,也是与结构设计工作一起重点开展的。 

  结构设计方面,以现有某型G/H级实际燃气透平叶片为原型样本,结合重型燃气轮机的结构特征和高温透平的气动性能要求,设计导向叶片内部的冷却结构和冷却回路的布置,并确定合理的加工制造与装配方法,便于向试验件内充装钠钾合金。 

  设计并充装完成的叶片试验件将在廊坊基地的透平叶片冷却高温环境实验平台上进行性能试验,试验所使用的热源(燃烧室)能够提供高达1400℃的出口燃气,用于加热叶片试验件,验证技术的可行性和实际冷却效果。 

  目前已经完成了试验件结构设计与制造,碱金属充装,高温风洞制造(配图1),小型高温试验等前期基础工作。成功完成了碱金属高充液量的试验件,完成的试验件在高温风洞试验中承受住了10分钟高达1300℃的高温加热而未遭毁坏(配图2)。基于上述前期工作,设计完成了本项目用的高温叶片试验件及其冷却结构,并于近期内完成加工。已完成的试验表明,设计的试验件有望能够承受住高达1400℃的出口燃气的加热,并完成项目的预期指标。 

  1 小型高温风洞试验系统 

  2 被加热的试验件散热段 

 
评论
相关文章